固體廢物處理與資源化第五章第二節(jié)厭氧消化課件

1、第五章 固體廢物的生物處理本章重點(diǎn)【概念】堆肥化、好氧堆肥 、厭氧消化?！娟U述】好氧堆肥過(guò)程、好氧堆肥的影響因素、厭氧消化的三段理論、厭氧消化的影響因素、蚯蚓處理技術(shù)。第五章 固體廢物的生物處理5.1 概述5.2 固體廢物的好氧堆肥化處理5.3 固體廢物的厭氧消化處理5.4 固體廢物的微生物浸出5.5 固體廢物的其它生物處理技術(shù)第二節(jié) 固體廢物的厭氧消化處理什么是厭氧消化？厭氧消化就是指在厭氧狀態(tài)下利用厭氧微生物使固體廢物中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH4和CO2的過(guò)程。厭氧發(fā)酵技術(shù)最初的工業(yè)化應(yīng)用是作為糞便和污泥的減量化和穩(wěn)定化的手段得以實(shí)施的。厭氧消化處理可以去除廢物中1050的有機(jī)物，并使之穩(wěn)定化。

2、5.2 固體廢物的厭氧消化處理70年代初，由于能源危機(jī)和石油價(jià)格上漲，許多國(guó)家開始尋找新的能源，這時(shí)厭氧發(fā)酵技術(shù)顯示出其優(yōu)勢(shì)，普遍受到人們的關(guān)注。近20年來(lái)，我國(guó)許多城市相繼建成了大型厭氧發(fā)酵設(shè)施，用來(lái)處理城市污泥和糞便。5.2 固體廢物的厭氧消化處理厭氧消化的特點(diǎn)？1）過(guò)程可控制、降解快、生產(chǎn)過(guò)程全封閉2）資源化效果好，可將潛在于廢棄有機(jī)物中的低品位生物能轉(zhuǎn)化為可以直接利用的高品位沼氣3）易操作，與好氧處理相比，其不需要通風(fēng)動(dòng)力，設(shè)施簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低5.2 固體廢物的厭氧消化處理厭氧消化的特點(diǎn)？ 4）產(chǎn)物可再利用5）可殺死傳染性病原菌6）厭氧過(guò)程會(huì)產(chǎn)生H2S惡臭氣體7）厭氧微生物的生長(zhǎng)速率低

3、，常規(guī)方法的處理效率低，設(shè)備體積大5.2 固體廢物的厭氧消化處理5.3.1厭氧消化原理5.3.2厭氧消化的影響因素5.3.3厭氧消化工藝5.3.4厭氧消化裝置5.2.1厭氧消化原理5.2.1.1 三段理論5.2.1.2 兩段理論5.2.1.3 總反應(yīng)式5.3.1.1 三段理論糖類蛋白質(zhì)脂肪水解階段產(chǎn)酸階段產(chǎn)甲烷階段不產(chǎn)甲烷細(xì)菌不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌產(chǎn)甲烷細(xì)菌(或有不產(chǎn)甲烷細(xì)菌參加)單糖或二糖酞和氨基酸脂肪酸和甘油揮發(fā)性脂肪酸類中性化合物H2,CO2H2,CO2甲醇甲酸CH4CO2CH4水解階段在這一階段中復(fù)雜的有機(jī)高分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等在水解細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下進(jìn)行體外

4、酶分解，使固體物質(zhì)變成可溶于水的簡(jiǎn)單有機(jī)物。高分子有機(jī)物的水解速度很慢，主要受物料的性質(zhì)、微生物的濃度、溫度和pH等條件的制約。主要有機(jī)物的水解反應(yīng)：蛋白質(zhì)+nH2O氨基酸脂肪酸NH3CO2H2S 產(chǎn)酸階段水解階段產(chǎn)生的簡(jiǎn)單的可溶性有機(jī)物，在產(chǎn)氫菌、產(chǎn)醋酸菌的作用下，進(jìn)一步分解成揮發(fā)性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。反應(yīng)式產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物進(jìn)一步降解為CH4和CO2同時(shí)把產(chǎn)酸階段所產(chǎn)生的H2和CO2轉(zhuǎn)化成CH4。產(chǎn)CH4階段的生化反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，目前已得到驗(yàn)證的主要反應(yīng)有：三個(gè)階段的主次地位在產(chǎn)甲烷反應(yīng)中，乙酸(醋酸)是產(chǎn)生CH4的主要物質(zhì)，大約70的

5、CH4來(lái)自乙酸的降解。CO2和H2的反應(yīng)也能產(chǎn)生一部分CH4。少量CH4是由其它一些物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)。例如有機(jī)胺必須轉(zhuǎn)化成NH3后才能被產(chǎn)甲烷菌所吸收。產(chǎn)甲烷階段在厭氧消化過(guò)程中是十分重要的環(huán)節(jié)。甲烷菌除了產(chǎn)生CH4外，還有分解脂肪酸調(diào)節(jié)pH值的作用。同時(shí)，通過(guò)將H2轉(zhuǎn)化成CH4，減少氫的分壓,也有利于產(chǎn)酸菌的活動(dòng)。三個(gè)階段的主次地位三個(gè)階段的主次地位對(duì)于以不溶性高分子有機(jī)物為主的污泥、垃圾等廢物，水解階段是整個(gè)厭氧消化過(guò)程的控制步驟。對(duì)于以可溶性有機(jī)物為主的有機(jī)廢水來(lái)說(shuō)，由于產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)速度慢,對(duì)環(huán)境和基質(zhì)要求苛刻,產(chǎn)甲烷階段是整個(gè)厭氧消化過(guò)程的控制步驟。5.3.1.2 兩段理論堆肥有機(jī)物(C、

6、N、O、H、P、S等)細(xì)胞物質(zhì)有機(jī)酸,醇類, CO2, NH3, H2S等,能量CO2,CH4等,能量細(xì)胞物質(zhì)堿性發(fā)酵階段酸性發(fā)酵階段5.3.1.3 總反應(yīng)式總反應(yīng)式有機(jī)物分子中含S，且以CaHbOeNaSe表示，則上述反應(yīng)可表示為有機(jī)物分子不含S，且以CaHbOcNd表示時(shí)，反應(yīng)式為5.3.2厭氧消化的影響因素為了保證厭氧消化的最佳運(yùn)行狀態(tài)，除了應(yīng)保持反應(yīng)系統(tǒng)的厭氧狀態(tài)外，還必須控制以下幾個(gè)因素。發(fā)酵原料(raw material)溫度(temperature)pH值添加物和抑制物質(zhì)(stayer)接種物攪拌(mix round)（1）發(fā)酵原料用作堆肥的原料都可以用作厭氧發(fā)酵，即沼氣發(fā)酵原料

7、。厭氧消化過(guò)程中的產(chǎn)氣量是厭氧消化處理效率的重要指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō),產(chǎn)氣量的大小主要取決于物料的組分特性（表）不同原料的有機(jī)組分不同，其理論產(chǎn)氣量也不同配制發(fā)酵原料時(shí)要進(jìn)行理論產(chǎn)氣量和總固體量等的計(jì)算。理論產(chǎn)氣量的計(jì)算常用原料的產(chǎn)氣率及其甲烷含量總固體量的計(jì)算營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(nutrient matter)有機(jī)組分的產(chǎn)氣量及氣體組成有機(jī)物種類產(chǎn)氣量(Lkg分解物)氣體組成()熱值(KcalNm3)碳水化合物80050(CH4)+50(C02)4250脂肪120070(CH4)+30(C02)5950蛋白質(zhì)70067(CH4)+33(C02)5650a. 理論產(chǎn)氣量的計(jì)算在計(jì)算沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量時(shí)，

8、必須首先分別測(cè)定各種發(fā)酵原料中碳水化合物(A)、蛋白質(zhì)(B)和脂肪(C)的含量，然后用下式計(jì)算出每克發(fā)酵原料的CH4和CO2的理論產(chǎn)量。 CH4產(chǎn)量E（L）0.37A+0.49B+1.04C CO2產(chǎn)量D（L）0.37A+0.49B+0.36C 式中的A、B、C可在表中查到。例，以稻草為原料，其A、B、C值分別為：0.6026，0.0316，0.0321。則： E=0.370.6026+0.490.0316+1.040.0321=0.2718(L/g) D=0.370.6026+0.490.0316+0.360.0321=0.2500(L/g)常見沼氣發(fā)酵原料的組分和理論產(chǎn)氣量發(fā)酵原料每克干重

9、物的組分（g）理論產(chǎn)氣量（L/g）碳水化合物蛋白質(zhì)脂肪CH4CO2水葫蘆0.60730.11670.03860.32200.2958水花生0.59630.09720.02710.29640.2780玉米秸0.62630.06330.04630.31090.2794麥草0.63690.02980.02340.27560.2597稻草0.60260.03160.03210.27180.2500人糞0.41570.17530.08140.32440.2690豬糞0.42040.11480.06030.27450.2335雞糞0.47030.08820.04550.26450.2332馬糞0.4536

10、0.09460.02830.24360.2244牛糞0.27040.10460.05280.20620.1703b.原料的產(chǎn)氣率和甲烷的含量沼氣發(fā)酵原料的產(chǎn)氣率指單位重量的原料在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣量，通常用每噸干物料產(chǎn)生的沼氣量(m3)表示，即m3(沼氣)噸(干物質(zhì))。常用沼氣發(fā)酵原料的沼氣產(chǎn)率、甲烷含量()和產(chǎn)氣持續(xù)時(shí)間(d)列于表中，可以查用。常用發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣率原料名稱每噸干物質(zhì)產(chǎn)生的沼氣量(m3)甲烷含量(%)產(chǎn)氣持續(xù)時(shí)間(d)牲畜廄肥260-28050-60-豬糞5616560牛糞2805990馬糞200-3006090人糞2405030青草6307060亞麻梗3595990玉米

11、稈2505390麥秸34259-松樹葉3106965常用發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣率原料名稱每噸干物質(zhì)產(chǎn)生的沼氣量(m3)甲烷含量(%)產(chǎn)氣持續(xù)時(shí)間(d)雜樹葉210-29458-馬鈴薯梗葉260-2806060谷殼6516290向日葵梗30058-廢物污泥64050-酒廠廢水300-60058-碳水化合物75049-類脂化合物140072-蛋白質(zhì)98050-與好氧微生物一樣，厭氧微生物對(duì)原料的CN比也有一定要求。由于厭氧微生物攝取碳的速率約為氮的2530倍，因此，厭氧發(fā)酵原料的最佳CN應(yīng)控制在201301。當(dāng)CN351時(shí)，N不足，產(chǎn)氣量會(huì)明顯下降。各物質(zhì)中C和N的含量有很大差異。為了滿足厭氧微生物對(duì)營(yíng)

12、養(yǎng)物質(zhì)的需要,可以通過(guò)富N物質(zhì)(糞便、下水污泥等)與貧N物質(zhì)(木屑、農(nóng)作物秸桿等)的合理調(diào)配、改善發(fā)酵原料的CN比。同時(shí)，也應(yīng)該對(duì)其它微量營(yíng)養(yǎng)元素(P、Na、K、Ca等)加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和控制?；旌显螩/N比的計(jì)算發(fā)酵原料料漿配制的計(jì)算（2）原料配比根據(jù)表的數(shù)據(jù)用下式可以粗略地計(jì)算出混合原料的CN比?；虬匆蟮腃N比計(jì)算出搭配原料的數(shù)量。 式中：C、N一分別為原料中C、N的百分含量() X一原料的重量(kg)發(fā)酵原料料漿的配制計(jì)算將所需的各種發(fā)酵原料配制成料漿，可根據(jù)料漿中所要求的總固體百分含量計(jì)算出加水量。 式中：MTS一發(fā)酵料漿中總固體Wt； M 一各種原料的總固體Wt； X一各種原料的重

13、量(kg)； W一需加入的水量(kg)（3）溫度溫度對(duì)有機(jī)物的分解速度影響較大，溫度增高，產(chǎn)氣量增大。沼氣發(fā)酵通常采用低溫、中溫和高溫三種發(fā)酵溫度。低溫發(fā)酵(20)溫度隨氣候變化，產(chǎn)氣率不高，病原微生物難于殺滅。中溫發(fā)酵(3039) 最佳溫度為37，這是甲烷菌的第一個(gè)最佳活性溫區(qū)，產(chǎn)氣量中等。中溫發(fā)酵過(guò)程要求1530天的停留時(shí)間，由于易于管理因此普遍采用中溫發(fā)酵。 （3）溫度高溫發(fā)酵(4565) 適宜溫度為53左右,這是甲烷菌的第二個(gè)最佳活性溫區(qū)，產(chǎn)氣率最高。高溫發(fā)酵要求料漿和發(fā)酵設(shè)備有加熱保溫措施，管理復(fù)雜。但是高溫發(fā)酵對(duì)病原微生物的殺滅率較高，發(fā)酵過(guò)程的停留時(shí)間只需1215天。甲烷產(chǎn)氣量隨

14、溫度的變化 厭氧消化過(guò)程中，甲烷的產(chǎn)生量通常隨溫度的升高而增加，但在45左右有一個(gè)間斷點(diǎn)，這是由于中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵分別是由兩個(gè)不同的微生物種群在起作用。在45左右的溫度條件下對(duì)中溫菌和高溫的生長(zhǎng)都不利，因此，產(chǎn)氣量突然下降。35-38；50-65 各有一個(gè)高峰 （4）pH值的影響（3）pH值的影響產(chǎn)酸菌適于在酸性條件下生長(zhǎng)，其最佳pH值為5.8，所以產(chǎn)酸階段也稱為酸性發(fā)酵。產(chǎn)甲烷菌需堿性條件下生長(zhǎng)，稱為堿性發(fā)酵。當(dāng)pH6.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌就會(huì)失活性。因此，在產(chǎn)酸菌和產(chǎn)CH4菌共存的厭氧消化過(guò)程中，系統(tǒng)的pH值應(yīng)控制在657.5之間，最佳值為7.07.2。（3）pH值的影響在正常發(fā)酵過(guò)程中，依靠

15、原料本身可以維持發(fā)酵所需的pH值。但在突然增加進(jìn)料量或改變?cè)蠒r(shí)，有機(jī)物負(fù)荷過(guò)高，或消化系統(tǒng)中存在某些抑制物質(zhì)時(shí),對(duì)環(huán)境要求苛刻的產(chǎn)甲烷菌首先受到影響，從而造成系統(tǒng)中揮發(fā)性脂肪酸積累，pH值下降。pH值的下降又反過(guò)來(lái)會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。如此惡性循環(huán)，將導(dǎo)致消化過(guò)程停止。為了提高系統(tǒng)對(duì)pH值降低緩沖的能力，需要維持一定的堿度?？梢酝ㄟ^(guò)投加石灰或含氮的物料加以調(diào)節(jié)。一般情況下，pH值控制在6.57.5時(shí)，可獲得較好緩沖能力。（5） 添加物和抑制物在發(fā)酵液中添加少量的硫酸鋅、磷礦粉、煉鋼渣、碳酸鈣、爐灰等，有助于促進(jìn)厭氧發(fā)酵，提高產(chǎn)氣率和原料利用率，其中以添加磷礦粉的效果最佳。同時(shí)添加少量鉀、鈉、

16、鎂、鋅、磷等元素也能提高產(chǎn)氣率。（5） 添加物和抑制物有些物質(zhì)會(huì)抑制發(fā)酵微生物的活性。當(dāng)發(fā)酵原料中的含氮化合物過(guò)多，如蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等分解成銨鹽，甲烷菌的生長(zhǎng)受到抑制，厭氧過(guò)程中揮發(fā)性脂肪酸和H2氣就會(huì)積累。另外，系統(tǒng)中O2的存在也會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的形成。此外，還有一些抑制物，當(dāng)其濃度超過(guò)一定濃度時(shí)，也會(huì)不同程度地抑制氧微生物的繁殖生長(zhǎng)。對(duì)厭氧消化有抑制作用的物質(zhì)見表。對(duì)厭氧消化有抑制作用的物質(zhì)抑制物質(zhì)抑制濃度(mg/L)抑制物質(zhì)抑制濃度(mg/L)抑制性脂肪酸氨氮溶解性硫化物CaMgKNaCu200020001500-30002002500-45001000-15002500-45003

17、500-5500 CdFe Cr6+ Cr3+Ni015017103500（6）接種物厭氧消化中細(xì)菌數(shù)量和種群會(huì)直接影響甲烷的生成，不同來(lái)源的厭氧發(fā)酵接種物對(duì)產(chǎn)氣量的不同的影響。添加接種物可有效提高消化液中微生物的種類和數(shù)量，從而提高反應(yīng)器的消化處理能力，加快有機(jī)物的分解速率，提高產(chǎn)氣量，還可以使開始產(chǎn)氣的時(shí)間提前。用添加接種物的方法，開始發(fā)酵時(shí)，一般要求菌種量達(dá)到料液量的5%以上。（7）攪拌攪拌的作用有效的攪拌可以增加物料微生物接觸的機(jī)會(huì)，使系統(tǒng)內(nèi)物料和溫度分布均勻，以保證發(fā)酵裝置有較高的池容產(chǎn)氣率，且不致出現(xiàn)局部酸積累，還可以使產(chǎn)生的氣體迅速排出。攪抖方式有機(jī)械攪拌、充氣攪抖和充液攪拌三種

18、。對(duì)于流體或半流體狀的污泥可以采用機(jī)械攪拌、氣體攪拌、泵循環(huán)攪拌等方法。對(duì)于固體狀態(tài)的物料，用一般的攪拌方法難以奏效，可以通過(guò)使浸出液循環(huán)流動(dòng)的方式來(lái)替代攪拌方式，而達(dá)到攪拌的效果。5.3.3厭氧消化工藝根據(jù)消化溫度劃分的工藝類型高溫消化工藝自然消化工藝最佳溫度范圍是4755 ，此時(shí)有機(jī)物分解旺盛，消化快，物料在厭氧池內(nèi)停留時(shí)間短，非常適用于城市垃圾、糞便和有機(jī)污泥的處理 。程序：培養(yǎng)高溫消化菌、維持高溫、投料和排料、攪拌消化物料。目前我國(guó)農(nóng)村都采用這 種消化類型。這種工藝的消化池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、施工容易、便于推廣，但受季節(jié)影響明顯。 消化周期須視季節(jié)和地區(qū)的不同加以控制。自然消化工藝原料

19、選擇原料預(yù)處理大出料入池消化產(chǎn)氣配料加活性污泥定期出料定期加料送農(nóng)田5.3.3厭氧消化工藝根據(jù)投料運(yùn)轉(zhuǎn)方式劃分的工藝類型連續(xù)消化工藝半連續(xù)消化工藝兩步消化工藝投料啟動(dòng)后，經(jīng)一段時(shí)間的消化產(chǎn)氣，連續(xù)定量的添加消化原料和排出舊料；其消化時(shí)間能夠長(zhǎng)期連續(xù)進(jìn)行。工藝易于控制，能保持穩(wěn)定的有機(jī)物消化速率和產(chǎn)氣率，但該工藝要求較低的原料固形物濃度 啟動(dòng)時(shí)一次性投入較多的消化原料，當(dāng)產(chǎn)氣量趨于下降時(shí)，開始定期添加新料和排出舊料，以維持比較穩(wěn)定的產(chǎn)氣率。 農(nóng)村較適用兩個(gè)反應(yīng)器（產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷）；根據(jù)兩段理論設(shè)計(jì) 連續(xù)消化工藝備料池貯氣柜沉淀池厭氧消化反應(yīng)池用戶回流攪拌有機(jī)固體廢物肥料回流備料半連續(xù)消化工藝拌料接種入池堆漚大出料消化產(chǎn)氣加水封池池底污泥或消化原料定期或不定期出料定期或不定期加料備料肥料活性污泥或其他接種物兩步消化工藝第一個(gè)反應(yīng)器的功能：水解和液化固態(tài)有機(jī)物為有機(jī)酸；緩沖和稀釋負(fù)荷沖擊與有害物質(zhì)，并截留難降解的固體物質(zhì)。第二個(gè)反應(yīng)器的功能：保持嚴(yán)格的厭氧條件和pH值，以利于產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生長(zhǎng)；消化、降解來(lái)自前段反應(yīng)器的產(chǎn)物，把它們轉(zhuǎn)化成